拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究_以积分肌电值和主观感受评价.doc

拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究_以积分肌电值和主观感受评价拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究_以积分肌电值和主观感受评价.txt如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光！我允许你走进我的世界，但绝不允许你在我的世界里走来走去。2011年 1月农机化研究第 1期拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳影响研究 以积分肌电值和主观感受评价值为指标刘军，孔德刚，刘立意，张影微 (东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030 )摘要:为了解决拖拉机座椅振动对驾驶员腰部疲劳的影响，模拟拖拉机作业时的振动状态，在不同振动加速度和频率作用下测试了受试者腰部多裂肌和竖脊肌的表面肌电信号( sEMG)，并分析其积分肌电值( iEMG )的变化规律。结果表明 :腰部多裂肌和竖脊肌的 iEMG在振动频率为4 0Hz的条件下，随振动加速度的增大而增加，在2 0m/s 2时出现最大值 ;在加速度为1 2m/s 2的条件下，随振动频率增大其变化不大 ;驾驶员主观感受的腰部肌肉疲劳随振动加速度和频率的增大而加重。关键词 :拖拉机座椅振动;振动加速度 ;腰部疲劳 ;表面肌电信号 ;积分肌电值中图分类号 :S219 032 9文献标识码 : A文章编号 :1003188X(2011)01005304 1 1试验测试系统与装置0引言试验测试系统由振动试验台、肌电测试系统和振国产中小型拖拉机的作业环境普遍较差，尤其是动测试系统组成。振动试验台包括伺服电机、控制系座椅振动较大，使驾驶员容易产生腰部疲劳，严重时统和偏心减速器等 ;肌电测试系统包括 Personal还会造成驾驶事故、危害驾驶员身心健康和引起腰背EMG表面肌电仪 (日本追坂电子仪器公司，8ch，采样疼痛疾病等12。肌肉疲劳通常用表面肌电图 频率为 3000Hz) ;振动测试系统包括丹麦BK公司的 ( sEMG)进行评价35，sEMG是一种神经肌肉功能检2635型电荷放大器、压电式加速度传感器(电荷灵敏测方法，能够准确反映驾驶员局部肌肉疲劳，具有无度为4 88pc/ms 2 )和数据存储记录仪(日本日置公司， 创性、操作方便、实时监测和记录等特点。目前，基于 4ch，采样速率为 400kS / s)等。sEMG的驾驶疲劳研究多是针对汽车、轿车驾驶员，而1 2试验对象对于田间作业的拖拉机驾驶员研究相对较少。拖拉试验选取 12名年龄在 2428岁之间，身高为机振动引起的驾驶员腰部疲劳和腰背疼痛，是导致作170 180cm，体重 60 75kg的男性为受试者。所有业效率和作业质量下降的重要原因之一，近年来受到受试者身体健康，腰部无疾病、畸形或创伤，试验前 各相关领域的重视。驾驶员腰部疲劳主要发生在多24h内没有做剧烈运动且没有服用任何刺激性物品，裂肌和竖脊肌67，通过测试其在座椅振动作用下的睡眠充足。表面肌电信号 ( sEMG)，研究其积分肌电值 ( iEMG)与1 3试验方法座椅振动的关系对减轻驾驶疲劳具有重要指导作用。试验选取腰部多裂肌和竖脊肌为检测肌肉，多裂本文模拟拖拉机座椅的振动状态，研究了座椅振动加肌位于腰部 L4腰椎至 L5腰椎之间，脊柱左右两侧 速度和频率对受试者腰部多裂肌和竖脊肌 iEMG以及2cm肌腹隆起处8，主要起到稳定腰椎，保持腰椎生疲劳的影响规律，为我国拖拉机驾驶座椅的人性化设理弧度，帮助维持正确姿势的作用。竖脊肌是背肌中计提供了相关的技术依据。 最长最大的肌肉，位于腰部 L3腰椎至 L4腰椎之间，脊柱左右两侧 2cm肌腹隆起处9，主要起到维持人体1试验仪器与方法直立姿势的作用。试验时在测试肌肉部位表面粘贴表面电极，其位置如图 1所示。收稿日期 :20100323试验分两项内容 :一是固定振动频率为4 0Hz，受基金项目 :黑龙江省教育厅海外学人资助项目 ( 1153h02)试者坐姿在座椅的振动加速度为0 8，1 2，1 6，2 0，作者简介 :刘军( 1983)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，( Email )LX_mac shza edu cn。2 4m/s 2的作用下各受振 30min，分别测试记录多裂通讯作者 :孔德刚 (1956)，男，吉林白山人，教授，博士生导师。肌和竖脊肌的 sEMG，研究振动加速度变化对其 iEMG 352011年 1月农机化研究第 1期和疲劳的影响 ;二是固定振动加速度为1 2m/s 2，受试者坐姿在座椅振动频率为3 0，3 5，4 0，4 5，5 0Hz的作用下各受振 30min，分别测试记录多裂肌和竖脊肌的 sEMG，以此研究振动频率变化对其 iEMG和疲劳的影响。每次试验开始前，要求受试者安静休息 10min，稳定身体状况。拖拉机田间实际作业中，驾驶员为观察前方行驶状况和保持驾驶注意力集中，常处于竖直坐姿状态。坐姿会影响座椅到人体的振动传递，竖直坐姿与前倾、后倾坐姿相比疲劳程度更重4，10。因此，在试验过程中要求受试者两手握方向盘，保持竖直坐姿。用PersonalEMG表面肌电仪测试记录不同振动加速度和频率作用下驾驶员腰部肌肉的肌电信号，并在试验前后，分别让受试者根据腰部肌肉疲劳程度进行主观疲劳评分。图 1腰部肌肉电极粘贴部位Fig 1 The electrodes adhesion locations of waist muscle 试验结果分析受试者腰部多裂肌和竖脊肌肌电信号变化波形如图 2所示。图 2实测腰部竖脊肌和多裂肌的肌电信号波形Fig 2 The profile of waist multifidus and erectorspinae muscles sEMG by actual test图 2中上 4个通道分别记录左竖脊肌、右竖脊肌、左多裂肌、右多裂肌的肌电信号 ( sEMG)，下 4个通道是对应上 4个通道的积分肌电值( iEMG)。积分肌电值是指把所得肌电信号经整流滤波后求单位时间内曲线下面积的总和。肌分肌电值的大小反应肌肉运动单位消耗能量的多少，通常其幅值越大，疲劳程度越重，是评价肌肉疲劳重要的时域指标。其计算公式为 iEMG = |EMG( t) | *dt0T2 1加速度对积分肌电的影响利用 Matlab软件编写 iEMG的计算程序，对试验所得肌电数据进行分析处理，分别计算出左、右多裂肌和左、右竖脊肌的 iEMG，然后计算所有受试者的平均值。图 3为受试者腰部各肌肉积分肌电值 ( iEMG)随振动加速度变化情况。图 3振动加速度变化对积分肌电值的影响Fig 3 The influence of vibration acceleration change to iEMG从图 3中看出 :振动加速度在2 0m/s 2之前，受试者腰部左、右多裂肌和左、右竖脊肌积分肌电值 ( iEMG)整体都呈上升的变化趋势，且增加趋势明显。其中，左多裂肌 iEMG可由0 289mV增加到0 593mV ;右多裂肌 iEMG可由0 312mV增加到0 605mV ;左竖脊肌 iEMG由0 368增加到0 710mV ;右竖脊肌 iEMG由0 283mV增加到0 458mV。振动加速度在2 0m/s 2之后，各曲线都呈减小的变化趋势。图 3中各曲线的变化趋势相似，随着振动加速度的增大，受试者腰部各肌肉的 iEMG都呈先上升到最大值后开始下降的变化趋势，加速度在2 0m/s 2时 iEMG值为最大。据相关研究可知4，11:试验初期受试者腰部肌肉在振动加速度的作用下，随着振动加速度的增大，参与肌肉收缩的运动单位数量逐渐增多，参与收缩肌纤维放电总量增大，导致 iEMG上升，疲劳程度加重 ;当振动加速度增大到一定程度 (本试验为2 0m/s 2 )时，参与肌肉收缩的运动单位数量最多，参与收缩肌纤维放电总量最大，iEMG达到最大值。其后尽管振动加速度在增大，但由于参与肌肉收缩运动的某些运动单位出现疲劳，运动单位数量减少，频率下降，参与收缩肌纤维放电总量下降，iEMG出现下降趋势。尽管如此，实际的疲劳程度仍在加重 (见2 3 1主观疲劳度分析)。受试者腰部多裂肌和竖脊肌的 iEMG值，有右多裂 452011年 1月农机化研究第 1期肌大于左多裂肌，左竖脊肌大于右竖脊肌的倾向。试验中座椅的微小偏移和侧倾会使受试者腰背处于轻微弯曲，致使腰部左右侧肌肉受力不均。另外，受试者除了承受试验台上下垂直振动作用外，还承受部分左右侧倾振动的作用，使其腰部两侧肌肉受力不均程度加重，参与收缩张力运动程度不同，导致多裂肌和竖脊肌两侧 iEMG产生差异。2 2频率对积分肌电的影响图 4为受试者腰部各肌肉积分肌电信值 ( iEMG)随振动频率变化趋势。表 2主观疲劳感受评分标准Tab 2 The score standard of subjective fatigue feeling疲劳等级舒服正常疲劳比较疲劳非常疲劳分值 1 0123文中取各振动加速度和频率作用下的所有受试者主观疲劳评分的平均值作为受试者腰部疲劳等级分值。试验前为无振动状态，即加速度和频率为 0。2 3 1主观疲劳与振动加速度的关系受试者主观疲劳等级与振动加速度的关系，如图 5所示。图 4振动频率变化对积分肌电值的影响Fig 4 The influence of acceleration frequency change to iEMG由图 4可知 :振动频率在3050Hz范围内变化时，受试者腰部多裂肌和竖脊肌的 iEMG随振动频率增大呈波动性变化，且变化幅度很小。多裂肌波幅不超过 6% ;竖脊肌波幅不超过 8%。说明在此振动频率范围内，受试者腰部疲劳受振动频率影响不大。为了解决振动频率对受试者腰部肌肉 iEMG的综合影响，把左、右多裂肌和左、右竖脊肌的 iEMG值平均后，与振动频率进行回归分析，结果如表 1所示。表 1回归分析结果Tab 1 The result of regression analysis测试肌肉回归方程 R2值多裂肌 y =0 005x2 +0 033 2x+0275807818竖脊肌 y =0 010 7x2 +0 065 7x+0263209495由表 1可知 :多裂肌的 iEMG与振动频率具有较好的相关性，竖脊肌与振动频率高度相关。根据回归方程得出在振动频率为4 0Hz时，多裂肌和竖脊肌的 iEMG最大，说明4 0Hz对 iEMG及腰部疲劳程度影响最大。2 3主观疲劳度分析每项试验结束后，立即让受试者根据自己主观疲劳感受，参照表 2所示的主观疲劳感受评分标准对腰部肌肉疲劳程度进行打分。图 5主观疲劳等级与振动加速度的关系Fig 5 The relations of subjective fatigue rank and vibration acceleration由图 5可知 :试验前无振动状态与试验初始振动状态 (加速度为0 8m/s 2 )相比，受试者腰部左、右两侧肌肉的主观疲劳等级分值均有明显的差别，在振动状态下，随着振动加速度的增大而减小，且减小变化趋势较明显。振动加速度从0 8m/s 2增大到2 4m/s 2，左侧腰部主观疲劳评价分值由 0减小到2 1 ;右侧腰部则由0 4减小到1 9。对应表 2可知，主观疲劳等级分值越小疲劳程度越重。表明受试者腰部主观疲劳程度随着振动加速度的增大而加重。2 3 2主观疲劳与振动频率的关系受试者主观疲劳等级与振动频率的关系，如图 6所示。图 6主观疲劳等级与振动频率的关系Fig 6 The relations of subjective fatigue rank and vibration frequency从图 6可看出，受试者腰部左、右两侧肌肉主观疲 552011年 1月农机化研究第 1期劳等级分值，无振动状态与试验初始振动状态 (频率为1万叶青，张伟欣拖拉机机体振动分析方法及其应用J3 0Hz )有明显的差别，在受振状态下，随振动频率的增拖拉机与农用运输车，2005( 3):1418大有减小的趋势，且频率在3040Hz范围内减小趋2 SergeHR，Carlo JD，Mark EBS，et al Spectral electromyo势较快，在4050Hz之间减小趋势较平缓。当振动graphy assessment of back muscles in patients with low back频率从3 0Hz增大到5 0Hz，左侧腰部主观疲劳评价pain undergoing rehabilitationJ Spine，1995，20( 1): 3848分值由 0减小到1 8 ;右侧腰部则由0 6减小到3孔德刚，刘军机械化整地作业驾驶员疲劳程度的测试与1 9。表明受试者腰部主观疲劳程度随着振动频率研究J农机化研究，2008( 8):141144的增大有加重的倾向。 4焦昆，李增勇模拟驾驶过程中腰部疲劳的表面肌电信号分析J人类工效学，2004( 5):1214，21结论与建议 5 Cooper RG，Stokes MJ Loadinduced inflexion of the sur1)拖拉机驾驶员腰部肌肉 iEMG随座椅振动加速face electromyography signal during isometric fatiguing activi度增加而增大 ;当加速度超过1 6m/s 2时，明显增大 ;ty of normal human Para spinal muscleJ Electromyography 在2 0m/s 2时达到最大值，而后呈下降的趋势，但主and clinical neurophysiology，1994，34:1771846刘邦忠，李泽兵，何萍多裂肌在脊柱突然失平衡时的肌观感受的腰部疲劳仍然加重。建议拖拉机座椅的振电表现J中国临床康复，2003( 4):2526动加速度限定在1 6m/s 2以下。 7王翔腰部竖脊肌疲劳运动过程中表面肌电信号线性和2)振动频率在3050Hz范围内，受试者腰部非线性指标的变化J浙江体育科学，2008 ( 6): 106的多裂肌和竖脊肌的 iEMG变化幅度不大，当频率在1084 0Hz时呈现最大值，拖拉机座椅振动应避开这一振8罗仕鉴基于生物化学反应的驾驶舒服度研究D杭州 :动频率。 浙江大学，20053)驾驶方向盘与座椅的相对偏移以及座椅的侧9李增勇，焦昆模拟汽车驾驶所致腰部肌肉疲劳的肌图功倾是造成腰部两侧肌肉受力不均的主要原因，建议驾率谱分析J中华劳动卫生职业病杂志，2003( 5): 48驶员乘坐时尽量保持腰椎与方向盘和座椅的中心在50同一直线上，避免座椅出现侧倾，可减轻驾驶员腰部10王生，牛云彤，王起恩座位作业腰部疲劳的肌电图研究疲劳。J工业卫生与职业病，1996( 4):205207 参考文献 :The Study on the Effect of Tractor Seat Vibration to Driver Iumbar FatigueTaking iEMG and Subjective Feeling Value as the Target Liu Jun，Kong Degang，Liu Liyi，Zhang Yingwei ( College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China) Abstract: To study the effect of tractor seat vibration to driver lumbar fatigue，this paper simulated tractor vibration during op